水泥混凝土路面損傷斷裂的過程分析

現(xiàn)在我國在高等級公路建設(shè)中水泥混凝土路面以其強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)效益高、有利于夜間行車的特點(diǎn)越來越受到人們的青睞。本文應(yīng)用斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)和路面破壞的原理，對水泥混凝土路面損傷斷裂的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至破壞的壘過程進(jìn)行分析，指出每個階段混凝土路面裂縫形成的根本原因，以便對癥下藥，為混凝土路面抗裂研究和處治提供科學(xué)依據(jù)。

一、水泥混凝土路面破壞的過程

水泥混凝土路面破壞的過程是微小缺陷形成、開始而逐漸擴(kuò)展，逐漸形成裂縫貫通，即最后形成貫穿路面板的裂縫。這個過程大致可以分三個階段：

第一個階段是初始損傷和初始裂縫的形成階段。在路面板混凝土攪拌、澆筑和成型養(yǎng)護(hù)過程中形成的微空隙。微裂縫即路面板的初始損傷。這個初始損傷決定了路面板在荷載作用下進(jìn)一步擴(kuò)展的臨界條件，即損傷應(yīng)力的門檻值。路面板在凝結(jié)過程中產(chǎn)生了板底的初始裂縫。初始裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致路面板在荷載的作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中，使裂縫尖端附近的區(qū)域成為損傷最嚴(yán)重的區(qū)域。這一階段是水泥混凝土路面板使用壽命前的階段，是破壞過程的初始階段。

第二階段是損傷的不均衡累積和裂縫有限度擴(kuò)展的階段。由于在投入使用前，路面板底部已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，所以在荷載的作用下，裂縫尖端附近區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，根據(jù)混凝土的損傷演變規(guī)律，裂縫尖端附近區(qū)域是損傷最嚴(yán)重的區(qū)域，也就是說，在裂縫尖端附近的區(qū)域中，微小裂縫萌生、擴(kuò)展、匯聚最快，承受應(yīng)力的有效面積減少得最快，因而開裂韌度也下降得最快。經(jīng)過荷載的反復(fù)作用，裂縫尖端附近區(qū)域損傷不斷積累，成為開裂韌度最低的部位。由于新的裂縫尖端附近的區(qū)域損傷度比較小，開裂韌度大于荷載造成的應(yīng)力強(qiáng)度因子，所以裂縫停止擴(kuò)展。新的裂縫尖端附近成為了又一階段損傷最嚴(yán)重的區(qū)域，在荷載的反復(fù)作用下，開始了新一輪的損傷累積和裂縫擴(kuò)展。第三階段是斷裂階段。當(dāng)某一荷載的在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于裂縫尖端附近區(qū)域的開裂韌度，裂縫穿越嚴(yán)重?fù)p傷的區(qū)域，尖端到達(dá)新的位置，此時，新的裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子仍然大于新的尖端附近區(qū)域的開裂韌度，所以裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，無須經(jīng)過新一輪的損傷累積。由于新的裂縫尖端附近區(qū)域的混凝土沒能組織裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，所以裂縫就迅速貫穿路面板的整個厚度，使板塊徹底斷裂破壞。這一階段是水泥混凝土破壞過程的最后一刻，是最短暫的階段。根據(jù)混凝土斷裂力學(xué)的雙K準(zhǔn)則，混凝土路面板斷裂時，裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子已經(jīng)大干混凝土的失穩(wěn)開裂韌度。

二、水泥混凝土路面損傷斷裂微裂縫產(chǎn)生的原因分析

1、板底微裂縫的產(chǎn)生。水泥混凝土路面是將水泥直接澆注在凹凸不平的基層上。水泥砂漿將面層、基層形成一個整體，然而面層、基層的彈性模量、泊松比和強(qiáng)度各不相同。面層與基層的接觸面部分的彈模、泊松比和強(qiáng)度不同于面層的彈模、泊松比和強(qiáng)度，又不同于基層的相應(yīng)指標(biāo)，實(shí)質(zhì)上是一過渡層，并且相對面層而言，該層即為強(qiáng)度薄弱層。隨著時聞的推移，由于基層和面層各自的彈模、泊松比和強(qiáng)度的增長速度各自不同，同時由于面層水泥混凝土逐漸凝結(jié)，混凝土將產(chǎn)生收縮變形，由于溫度的周期性變化，面層與基層之間存在不等量變形。由于以上原因，在面板橫縫切割后必然會導(dǎo)致本來融為一體的過渡層沿路面板薄弱層平面開裂和破壞，將面層與基層彼此分離，破壞面處于一種非常光滑的凹凸不平狀態(tài)。凹凸不平的接觸面阻礙了混凝土面板與基層的不均勻脹縮，產(chǎn)生了巨大剪應(yīng)力。剪應(yīng)力直接對面板施加撕裂破壞，從而使板底不同部位微裂紋產(chǎn)生成為必然。

2、板中微裂縫的生成。材料的結(jié)構(gòu)組織在外載或環(huán)境因素作用下將出現(xiàn)如微裂紋形成、擴(kuò)展、空洞萌生、晶體位錯等微觀不可逆變化，這些微觀變化將造成材料宏觀力學(xué)性能的劣化，這就是材料的損傷。就宏觀水平來說，混凝土是集料顆粒加水泥漿基體的兩相復(fù)合材料。在制造成形后，混凝土本身就是一種內(nèi)部含水、微裂縫、微孔隙的損傷體，其損傷度D為：D=1S／S

式中：S、S。分別為連續(xù)介質(zhì)中的一個單元出現(xiàn)損后內(nèi)外法線為n的某截面在損傷前后的面積。

損傷后混凝土的彈性模量E平：E平一E(1－D)

式中：E——損傷前混凝土的彈性模量，D——損傷度。

3、在外力作荷載用Tg4縫的擴(kuò)展

3.1外力作用下板底裂縫的發(fā)展。由于過渡層的破壞，面板與基層分離，在路面繼續(xù)脹縮和產(chǎn)生溫度變形的剪應(yīng)力作用下，其板底微裂紋必將不斷的發(fā)展、不斷的增多，損傷路面強(qiáng)度。車輛動荷載的作用下，路面板會發(fā)生振動，板的振動反過來又作用于行駛其上的車輛，這種車一板之間的耦合作用隨荷載多少和車速的大小、路面平整狀況以及基層材料性能的不同而變化，并且會對板的開裂產(chǎn)生較大的影響。研究表明，路面越不平整，車速越高，荷載越大，這種作用會更加明顯，裂紋的生成和拓展速度亦就越快。

3.2板中微裂紋的發(fā)展。由于混凝土本身是一種損傷體，內(nèi)部含有微裂紋、微孔隙，在行車荷載和溫度應(yīng)力的作用下，原有體內(nèi)的彌散裂隙將進(jìn)一步擴(kuò)展，且新的微裂紋又生成、擴(kuò)展。微裂紋擴(kuò)展并集總是和材料的彈性變形同時出現(xiàn)，但卸荷后不能愈合，因此導(dǎo)致能量耗散，使材料的強(qiáng)度，剛度下降，砼面板損傷度會逐漸增大，路面板板中裂紋尖端附近的混凝土逐漸損傷，裂紋會逐漸發(fā)展和加劇。而不是等外界荷載增大到臨界荷載時原裂紋才出現(xiàn)擴(kuò)展損壞。當(dāng)外力使材料應(yīng)力達(dá)到混凝土拉伸強(qiáng)度FT值時微裂紋迅速擴(kuò)展，骨料顆粒與水泥漿基體之間脫牯，則會出現(xiàn)更多的微裂紋擴(kuò)展匯合成宏觀裂紋。

3.3板中裂紋與板底裂紋的貫通。(1)板底及板中出現(xiàn)裂紋后，荷載作用下受拉區(qū)會出現(xiàn)損傷，即：a平拉=d拉／(I-D)式中：d平拉——板底出現(xiàn)裂紋后的拉應(yīng)力；a拉——路面板完好時的拉應(yīng)力}]3--板底初始損傷度。受拉區(qū)應(yīng)力增大，裂紋有向板頂擴(kuò)展的趨勢。(2)受拉區(qū)受損，承載能力下降，中和軸向板頂移動，導(dǎo)致受壓區(qū)增大，該區(qū)受壓區(qū)損傷進(jìn)一步加劇，板中裂紋延長。(3)路面不平整時動載作用將使這種破壞加劇，板中裂紋加速擴(kuò)展。板底裂紋的向上擴(kuò)展和板中裂紋的進(jìn)一步延長，必然會導(dǎo)致兩者在某一應(yīng)力水平下互相連通，從而加劇板的開裂破壞。2.4混凝土面板裂紋擴(kuò)展的定量描述?；炷撩姘辶鸭y擴(kuò)展的三個參數(shù)，包括拉伸強(qiáng)度FT，斷裂能Gf，還有拉伸應(yīng)力一應(yīng)變軟化曲線形式的參數(shù)，其中斷裂能指裂紋擴(kuò)單位面積釋放出的能量。Bazant.oh 1983年研究得出的近似公式：Gf=(2.72+0.0214Ft)f2tda／Ec其中：da--最大骨料粒徑；Ec——餛凝土的楊氏模量；Ft-——拉伸強(qiáng)度。

水泥混凝土路面的斷裂破壞影響因素非常多，且較復(fù)雜，國內(nèi)外諸多專家對此已作了大量而卓有成效的研究工作，提出一些有效的防治方法。本文僅從理論的角度定性分析水泥混凝土板的破壞過程以及原因，目的是為板的開裂防治提供一些可行的思路。文中的部分結(jié)論是基于國內(nèi)外相關(guān)成果進(jìn)行分析和整理而得。值得指出的是：出于分析問題的簡單化，本文僅對板本身的破壞過程進(jìn)行了分析和相關(guān)討論，并未涉及到板的基層材料組成及其性能對板開裂破壞的影響。

(3)對延遲時間的影響：

當(dāng)含水量較小，水灰比較大時，水泥漿較稠，結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)易于形成，凝結(jié)加快，反之凝結(jié)時間就會相應(yīng)延長。夏季施工時，在突遇驟雨的情況下會使混和料的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常含水量，甚至?xí)唤?，此時會發(fā)現(xiàn)混和料的凝結(jié)時間大大延長.等到水份散失到一定程度可以碾壓時，再進(jìn)行碾壓，仍可形成一定的強(qiáng)度，但會有其他不利的影響，應(yīng)當(dāng)避免。

(4)含水量過大，使裂縫出現(xiàn)的機(jī)會增大。

4、加入石灰對0.5ugh以下的細(xì)料進(jìn)行處治；

在水泥穩(wěn)定粒料中加入12％的石灰，也可以把這種混合料看成是石灰與水泥的綜合穩(wěn)定粒料。進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時篩取0.5mm以下的細(xì)料分別以一定劑量的水泥、石灰水泥穩(wěn)定，后一種可以得到較高的強(qiáng)度，這是因?yàn)榧尤氲氖蚁趿苏沉λ嘤不挠绊憽?/p>

在施工時，加入一定比例的石灰可以提高水泥穩(wěn)定粒料的強(qiáng)度，減少水泥用量，也會使混合粒料的干縮應(yīng)變系數(shù)大大減小。在細(xì)集料質(zhì)量難以保證時應(yīng)當(dāng)考慮摻拌少量石灰。

5、裂縫的產(chǎn)生與防治

水泥穩(wěn)定粒料的裂縫一般有溫差引起的溫縮裂縫，干縮應(yīng)變引起的干縮裂縫，反射裂縫.及外力破壞應(yīng)變產(chǎn)生的疲勞裂紋等。這些裂縫隨齡期的增長而增加。

裂縫出現(xiàn)時，具體的原因很難找出，因此在施工時就要采取比較全面的防治措施，針對其產(chǎn)生的原因逐一采取對策。一般有：

(1)在達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度下采用水泥用量低限；

(2)碾壓成形后養(yǎng)生及時周到防止忽干忽濕，炎熱多風(fēng)天氣多灑水及時補(bǔ)足散失水份；

(3)集料級配穩(wěn)定均一，0.5mm以下細(xì)料的質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格要求，限制其含量且塑指越小越好，如果不能達(dá)到質(zhì)量要求，可摻拌石灰進(jìn)行處理；

(4)含水量不能過大(<最佳含水量+3％)；

(5)控制好下層的壓實(shí)度、強(qiáng)度指標(biāo)，當(dāng)下層較薄弱，而水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層的模量較大時，易產(chǎn)生疲勞裂縫，

(6)在作業(yè)段的施工縫處應(yīng)灑水潤濕，或涂水泥漿以利于結(jié)合，避免產(chǎn)生裂縫；

(7)提高工作效率，縮短延遲時間，延遲時間過長，水泥穩(wěn)定粒料的強(qiáng)度損失較大，裂縫出現(xiàn)機(jī)率增大；

(8)在高溫環(huán)境作業(yè)下，要控制結(jié)構(gòu)層的溫度，不致造成早、午、晚的溫差過大，減少溫縮裂縫。

五、拌和及施工質(zhì)量控制

1、拌和站原材料的堆放：

應(yīng)選擇規(guī)模較大、質(zhì)量較為穩(wěn)定的料場，各種規(guī)格的石料嚴(yán)格區(qū)分堆放，料場應(yīng)用廢渣墊起一定的高度，以利雨季時排水，確保細(xì)集料不含過量的水份，造成拌和時含水量失控。

拌和機(jī)開動后應(yīng)盡量減少開停機(jī)次數(shù)，拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓互相協(xié)調(diào)，一個環(huán)節(jié)脫節(jié)，會影響其它工序的施工，影響施工質(zhì)量，并造成機(jī)械臺班的浪費(fèi)。

2、施工質(zhì)量控制：

(1)松鋪系數(shù)

通過測定碾壓前后的高差，測定松鋪系數(shù)，攤鋪機(jī)施工時的松鋪系數(shù)在1.25～1.35之間，但不同的攤鋪機(jī)具有不同的振實(shí)系數(shù)，應(yīng)分別測定；平地機(jī)施工時，松鋪系數(shù)較小，一般為1.05～1.10左右，施工時應(yīng)當(dāng)測定準(zhǔn)確，以免造成標(biāo)高控制不準(zhǔn)。

(2)壓實(shí)遍數(shù)用膠輪壓路機(jī)或振動壓路機(jī)中速靜壓一遍，當(dāng)含承量較大時可以等到含水量散失合適的程度時用振動壓路機(jī)輕碾一遍，達(dá)到穩(wěn)壓目的，然后用20t以上的大噸位壓路機(jī)碾壓，在盡短時間內(nèi)，碾壓完成，效果比較好，因此工地應(yīng)配備足夠的壓實(shí)設(shè)備。一般碾壓4—6遍，即能達(dá)到壓實(shí)要求。

(3)延遲時間計(jì)算加水拌和到達(dá)壓實(shí)度后的碾壓成型時間，一般不超過4小時，控制在2小時以內(nèi)為好。含水量施工含水量應(yīng)等于最佳含水量加上水泥水化的用水量(約為1％)，施工時測定的含水量一般要比實(shí)際的小，因?yàn)闇y定含水量時，部分水與水泥反應(yīng)形成結(jié)晶水，因此含水量略高于最佳含水量也有利于強(qiáng)度的形成。

(4)標(biāo)高

一般情況下水泥穩(wěn)定粒料虛鋪厚度較大。如果厚度不均，壓實(shí)后各點(diǎn)的沉降大小也會不一致，使得標(biāo)高不易控制，尤其是在舊路改造水穩(wěn)層作為找平層時，表現(xiàn)尤為突出，如平地機(jī)施工情況則稍好，采用攤鋪機(jī)施工時，應(yīng)配置標(biāo)高復(fù)測人員，發(fā)現(xiàn)標(biāo)高不準(zhǔn)的地方當(dāng)即處理，延誤處理將會增加處理的難度的費(fèi)用，同時也將影響施工質(zhì)量。

(5)平整度較大的虛鋪厚度、機(jī)械性能、機(jī)械操作人員的技術(shù)水平及共責(zé)任感都會直接影響平整度的控制，施工前有必要對有關(guān)人員進(jìn)行一次技術(shù)培訓(xùn)和質(zhì)量責(zé)任教育。同時對平整度較差的地方應(yīng)派專人處理。

六、結(jié)束語

青島地區(qū)風(fēng)化砂的資源十分豐富，為水泥穩(wěn)定粒料的拌制提供了充足的材料來源，且水泥穩(wěn)定粒料施工簡便，耐久性好，價格便宜，性價比高。經(jīng)過廣泛的施工應(yīng)用和室內(nèi)試驗(yàn)，證明水泥穩(wěn)定粒料作為道路路基填料是完全可行的。在施工過程中，嚴(yán)格控制好原材料的采集、拌合、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓、養(yǎng)生等各工序的施工，才能保證道路水泥穩(wěn)定粒料基層的施工質(zhì)量。當(dāng)然，水泥穩(wěn)定粒料還有諸多的缺點(diǎn)，這需要在今后的類似工程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為水泥穩(wěn)定粒料的施工提供更多的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。